(57)【要約】【課題】運転停止時に熱応力が少なく、信頼性の高い熱交換器運転制御装置を提供する。【解決手段】水と高温ガスが熱交換を行う蒸発器コア３６を備えた蒸発器３の運転制御装置において、高温ガスを生成し、蒸発器３へ供給する燃焼器４と、水タンク７の水を蒸発器３へ供給するポンプ９を備える。また、蒸発器コア３６から離れた箇所の温度を検出する温度センサ２０を備える。そして、高温ガスの供給を停止する際に、温度センサ２０によって検出される温度が十分に下がった後に、水の供給を停止する。【選択図】        図１
2005147553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温流体と高温流体が熱交換を行う熱交換部を備えた熱交換器の運転制御装置において、
前記低温流体を前記熱交換器に供給する低温流体供給手段と、
前記高温流体を前記熱交換器に供給する高温流体供給手段と、
前記熱交換器または前記熱交換器に接続する部位で前記高温流体が流通し、かつ前記熱交換部が近傍に無い部位の温度を検出する温度検出手段と、
前記高温流体の供給が停止したときに、前記温度検出手段によって検出された前記温度の低下に基づいて、前記低温流体供給手段からの前記低温流体供給を停止する低温流体供給制御手段と、を備えることを特徴とする熱交換器運転制御装置。
【請求項２】
前記低温流体供給制御手段は、前記温度検出手段によって検出された前記温度が、所定温度よりも低くなった場合に前記低温流体供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項３】
前記熱交換器下流の温度を検出する下流温度検出手段を備え、
前記低温流体供給制御手段は、前記熱交換器下流温度検出手段によって検出される温度と、前記温度検出手段によって検出される温度の差が、所定温度差よりも低くなった場合に前記低温流体供給を停止することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項４】
低温流体を高温流体が熱交換を行う熱交換部を備えた熱交換器の運転制御装置において、
前記低温流体を前記熱交換器に供給する低温流体供給手段と、
前記高温流体を前記熱交換器に供給する高温流体供給手段と、
前記熱交換器または前記熱交換器に接続する部位で前記高温流体が流通し、かつ前記熱交換部が近傍に無い部位の温度を検出する温度検出手段と、
前記高温流体の供給停止前に、少なくとも前記熱交換器が保有する熱量を検出する熱保有量検出手段と、
前記高温流体の供給停止後に、前記低温流体が前記熱交換器から与えられた熱量を検出する受熱量検出手段と、
前記高温流体の供給が停止したときに、前記熱交換器が保有する前記熱量と、前記熱交換器から与えられた前記熱量に基づいて、前記低温流体供給手段による前記低温流体供給を停止する低温流体供給制御手段と、を備えることを特徴とする熱交換器運転制御装置。
【請求項５】
前記低温流体供給制御手段は、前記熱交換器停止後の前記熱交換器が保有する前記熱量と、前記低温流体が前記熱交換器から与えられた前記熱量との差が、所定熱量差よりも小さくなると前記低温流体供給を停止することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項６】
前記熱保有量検出手段は、前記熱交換器の前記温度と、前記熱交換器の材質の比熱と、前記熱交換器の重量に基づいて算出されることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項７】
前記熱交換器の下流の低温流体温度を検出する下流温度検出手段と、
前記熱交換器へ供給される低温流体の流量を検出する流量検出手段と、
前記高温流体の供給停止後の時間を検出する時間検出手段と、を備え、
前記熱受領検出手段は、前記熱交換器の下流の前記低温流体温度と、前記低温流体の前記流量と、前記低温流体の比熱と、前記高温流体の供給停止後の前記時間に応じた係数の積算値によって算出されることを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項８】
前記熱交換器の上流の高温流体温度を検出する上流温度検出手段と、
前記熱交換器の下流の低温流体温度を検出する下流温度検出手段と、
前記熱交換器へ供給される低温流体の流量を検出する流量検出手段と、を備え、
前記熱受領検出手段は、前記熱交換器の上流の低温流体温度と、前記熱交換器の下流の前記低温流体温度と、前記低温流体の前記流量と、前記低温流体の比熱の積算値によって算出されることを特徴とする請求項５または６に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項９】
前記熱交換器の下流に前記低温流体を消費する消費手段と、
前記低温流体を貯留する第１貯留手段と、
前記熱交換器から排出された前記低温流体の流れを、前記消費手段と前記第１貯留手段に選択的に切り換える流路切換手段と、を備え、
前記高温流体の供給が停止したときは、前記低温流体の流れを前記消費手段から前記第１貯留手段へ切り換えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項１０】
前記消費手段と前記流路切換手段の間に、前記低温流体中の気体と液体を分離する気液分離器を備えることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項１１】
前記第１貯留手段に加え、少なくとも前記気液分離器によって分離された前記低温流体を貯留する第２貯留手段を備えたことを特徴とする請求項１０に記載の熱交換器運転制御装置。
【請求項１２】
前記流路切換手段と前記第１貯留手段の間に、前記低温流体中の気体を液化する復液器を備えたことを特徴とする請求項９から１１のいずれか一つに記載の熱交換器運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器の停止時の温度上昇防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来では、液体原料を蒸発させて燃料電池システムの改質反応器に原料ガスとして供給するようにした蒸発器が特許文献１に記載されている。
【０００３】
この蒸発器は、燃料電池のアノード排ガスを燃焼させた燃焼ガスを蒸発用熱源として蒸発室内に配置した配管内に導入し、液体原料を蒸発室上部に設けた原料噴射装置から前記配管に向けて噴射することで、原料ガスとして蒸発・ガス化するように構成している。
【特許文献１】特開２００２-１２４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例では、蒸発器内の蒸発用熱源を導入した配管に液体原料を噴射して蒸発・ガス化するものであるため、起動時等において、液体原料と蒸発器との温度差による熱衝撃によって蒸発器自体に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下するといった問題点があった。
【０００５】
また、改質器側で必要とする都度、液体原料を噴射して蒸発させる場合にも、前記温度差に起因して、蒸発器に過大な熱応力が発生し、蒸発器の信頼性が低下する問題点があった。
【０００６】
一方、同一出願人は、先に上記問題点を解決する為に、熱交換器の運転制御装置（出願番号２００３−３１４２２９）を出願している(第１１図に、この発明での停止シーケンスを示す)。
【０００７】
この先願においては、蒸発器の停止方法として、高温流体の供給を停止し、その後に低温流体（液体原料）の供給を停止して熱交換器の作動を停止する運転制御装置を提案している。この運転制御装置では、熱交換器の停止作動時に、熱交換器を内の低温流体の温度、又は、蒸発器の温度が低温流体の蒸発温度以下になるまで、低温流体(液体原料)の供給を継続し、低温流体(液体原料)の供給を停止するものであった。
【０００８】
しかしながら、この停止方法では、蒸発器内を低温流体が流通している状態、すなわち、蒸発潜熱、及び低温流体へ放熱している状態（これらの放熱によってバランスした温度状態）での蒸発器、又は内部の低温流体の温度を検出している為、蒸発器およびそれに接続されている部位の持つ熱量を勘案していなかった。
【０００９】
このため、第１２図に示すように、蒸発器への低温流体の供給を停止した途端に、蒸発器およびそれに接続されている部位の持つ熱量(ヒートマス)によって、蒸発器本体の温度が急上昇し、これに伴い大きな歪が発生し、蒸発器の信頼性を低下させる問題が新たに明らかとなった。
【００１０】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、蒸発器停止時に歪みを少なくし、蒸発器の信頼性を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、低温流体と高温流体が熱交換を行う熱交換部を備えた熱交換器の運転制御装置において、熱交換器にそれぞれ低温流体と高温流体を供給する低温流体供給手段と、高温流体供給手段と、高温流体が流通し、かつ熱交換部の近傍ではない部位の温度を検出する温度検出手段を備える。また、高温流体の供給を停止時に、温度検出手段によって検出された温度に基づいて、熱交換器への低温流体の供給を停止する低温流体供給制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、例えば、熱交換部において低温流体を高温流体で加熱する熱交換器で、高温流体の供給を停止する場合に、熱交換器の高温流体が流通し、更に熱交換部の近傍ではない部位の温度を検出し、その温度が十分下がるまで低温流体を供給するので、低温流体の供給を停止した後に、熱交換器が保有する熱量によって熱交換器の温度上昇を防ぎ、熱応力によって熱交換器の信頼性低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の熱交換器の運転停止装置を燃料改質型の燃料電池システムに使用する実施形態について説明する。本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。
【００１４】
この実施形態の燃料電池システムは、水素リッチな改質ガスを生成する改質システム１と、改質システム１によって改質された改質ガス中の水素とコンプレッサ１０から供給された空気中の酸素によって発電する燃料電池２と、改質システム１に供給する原料の一つである水の温度を調整する水温調整系５０から構成される。
【００１５】
改質システム１は、コンプレッサ５より供給される空気中の酸素と、燃料タンク６からポンプ８によって供給される炭化水素系の燃料と、第２水貯留手段である水タンク７からポンプ９によって供給される水によって水素リッチな改質ガスを生成する（改質システム１は低温流体である水を消費する消費手段である）。ここで、水タンク７から供給される水は後述する水温調整系５０によって蒸発し、高温の水蒸気となって改質システム１に供給される。なお、改質システム１に供給される空気量、燃料量、水量は燃料電池２の出力に応じて制御される。改質システム１は例えば、改質ガスを生成する改質器や、改質ガス中の一酸化炭素を低減する一酸化炭素低減装置から構成される。
【００１６】
燃料電池２は、カソード２ａにコンプレッサ１０から供給された空気と、アノード２ｂに改質システム１から供給された改質ガス中の水素によって発電し、図示しない負荷に電力を供給する。なお、燃料電池２へ供給される空気量は、負荷に応じて制御される。燃料電池２での反応後にカソード２ａから排出された排出空気は、コンデンサ１１によって排気空気中の水分を回収され、外部へ排出される。また、燃料電池２の反応後にアノード２ｂから排出された排出水素は、コンデンサ１２によって排気水素中の水分を回収され、後述する燃焼器４へ供給される。アノード２ｂとコンデンサ１２の間には、三方弁１３を設けており、三方弁１３を調整することで、排出水素を燃焼器４へ供給せずに外部へ排出することができる。なお、コンデンサ１１、１２で回収された水は、水タンク７へ貯水される。
【００１７】
水温調整系５０は、アノード２ｂから排出された排出水素を燃焼する高温流体供給手段である燃焼器４と、燃焼器４で発生した高温ガス（高温流体）によって水タンク７から供給された水を蒸発、加熱する熱交換器である蒸発器３を備える。また、蒸発器３と改質システム１の間には気液分離器１８を備え、蒸気中の液滴や液体を分離し、改質システム１へ液滴や液体が流入することを防止する。気液分離器１８によって分離された液滴や液体は水タンク７へ貯水される。更に、蒸発器３と気液分離器１８の間には流路切換手段である三方弁１７を備え、蒸発器３からの水、または水蒸気を水タンク７へ戻す（循環する）ことができる。つまり、三方弁１７によって、蒸発器３を通った水、または水蒸気を改質システム１か水タンク７へ選択的に導入可能とする。なお、三方弁１７と水タンク７の間には、復液器であるコンデンサ１９を備え、コンデンサ１９によって蒸発器３を通った水蒸気を液化し、水タンク７へ水を戻す。
【００１８】
燃焼器４は、アノード２ｂから排出される排出水素をコンプレッサ１４から供給される空気によって燃焼し、高温ガスを発生させ、蒸発器３へ供給する。ここで、燃焼器４は改質システム１で改質に必要とされる水量を、蒸発器３で蒸発させなければならないので、排出水素の量が少ないときには、燃料タンク６から燃料供給弁１５を介して燃料を供給する。また、燃焼器４の温度を検出する温度検出手段である温度センサ１６を備える。
【００１９】
蒸発器３は、低温流体供給手段であるポンプ９を介して水タンク７から供給された水（低温流体）を、燃焼器４で生じた高温ガスによって蒸発、加熱する。また、蒸発器３の温度を検出する温度検出手段である温度センサ２０を備える。
【００２０】
ここで、蒸発器３と燃焼器４の詳しい構成について、図２の構成図を用いて説明する。
【００２１】
蒸発器３と燃焼器４は接続部３１によって一体化しており、燃焼器４で発生した高温ガスは、接続部３１を通り、蒸発器３へ流入し、熱交換部である蒸発器コア３６において水タンク７から供給された水と熱交換を行い、水を蒸発、加熱する。蒸発器コア３６において水を加熱した後、温度の低下した高温ガスはディフューザー部３３より外部へ放出される。温度センサ１６は燃焼器４の高温ガス出口部付近の金属部である燃焼器外壁３４に設けられ、温度センサ２０は蒸発器３の蒸発器コア３６から離れた高温ガス流入部の金属部である蒸発器外壁３５に設けられる。蒸発器コア３６から離れた燃焼器外壁３４と蒸発器外壁３５に温度センサ１６、２０をそれぞれ設け、温度センサ１６、または２０によって検出される温度を基に、蒸発器３への水供給を制御するので、水の供給停止後に燃焼器４と蒸発器３の保有する熱量による温度上昇を防ぐことができ、熱応力による蒸発器３の歪みを小さくし、蒸発器３の信頼性低下を防止できる。
【００２２】
また、燃料電池２への負荷要求や温度センサ１６、２０によって検出された温度などによって、水などの原料供給、三方弁１３、１７などを制御するコントローラ４０を備える。
【００２３】
次にコントローラ４０で行う燃料電池システムの停止制御について、図３のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池２の運転中は、三方弁１７は蒸発器３から排出される水蒸気が全て気液分離器１８へ供給される、すなわち改質システム１に水蒸気が供給されるように制御されている。また、三方弁１３は、アノード２ｂから排出された排出水素がコンデンサ１２、すなわち燃焼器４へ供給され、外部へ排出されないように制御されている。
【００２４】
ステップＳ３０では、燃料電池２に停止命令が発せられたかどうかを判断する。そして、停止命令が発せられたときは、ステップＳ３１へ進み、停止命令が発せられていないときは、燃料電池システムの通常の運転を行う。
【００２５】
ステップＳ３１では、蒸発器３から供給された水、または水蒸気がコンデンサ１９へ流れるように三方弁１７を切り換え、更にアノード２ｂから排出された排出水素を燃焼器４へ供給せずに外部へ放出するように三方弁１９を切り換える。これによって蒸発器３を通った水蒸気は、コンデンサ１９によって復水され、水タンク７に貯水される。
【００２６】
ステップＳ３２では、ポンプ８と、コンプレッサ５、１０、１４を停止し、改質システム１への燃料供給と空気供給と、燃料電池２のカソード２ａへの空気供給と、燃焼器４への空気供給を停止する。これによって、改質システム１での改質ガスの生成、燃料電池２での発電、燃焼器４での高温ガス生成が停止され、ポンプ９によって水タンク７と蒸発器３の間での水循環のみが行われる。
【００２７】
ステップＳ３３では、温度センサ１６、２０によって燃焼器４、または蒸発器３の温度Ｔｖを検出する。ここで温度センサ１６、２０は、水タンク７から供給された温度の低い水が流れ、燃焼器４で生成された高温ガスと熱交換を行う蒸発器コア３６から離れた箇所の温度を検出する。温度センサの位置を、温度の低い水が流れる蒸発器コア３６の近傍としないことで、水の循環を停止した時に、蒸発器３、または燃焼器４などの持つ熱量によって、再び蒸発器３の温度が上昇することがなく、蒸発器３の信頼性の低下を防ぐことができる。
【００２８】
ステップＳ３４では、ステップＳ３３で検出した燃焼器４、または蒸発器３の温度Ｔｖを或る所定温度Ｔｈと比較する。そしてＴｖがＴｈよりも低い場合は、燃焼器４、蒸発器３全体が十分に冷却していると判断し、ステップＳ３５へ進む。ＴｖがＴｈよりも高い場合は、燃焼器４、蒸発器３が十分に冷却されていないと判断し、ステップＳ３６へ進む。ここでＴｈは蒸発器３の実験により蒸発器３への水供給を停止しても、燃焼器４などの熱により蒸発器３の温度が上昇しない温度である。
【００２９】
ステップＳ３５では、蒸発器３と燃焼器４の全体が十分に冷却されているので、ポンプ９を停止し、水タンク７から蒸発器３への水供給（循環）を停止する（ステップＳ３２からステップＳ３５が低温流体供給制御手段を構成する）。
【００３０】
ステップＳ３６では、蒸発器３と燃焼器４の全体が十分に冷却されていないので、ポンプ９の回転数を所定の回転数に設定し、水タンク７から水を蒸発器３へ循環させ、蒸発器３の温度を低下させる。その後、ステップＳ３３へ戻り、蒸発器３の温度が下がるまで、上記ステップを繰り返す。ここで所定の回転数は、予め実験などによって設定する。また、ポンプ９の下流に流量計（例えば、後述する第３実施形態で備える流量計２５など）を設け、回転数を制御する代わりにポンプ７から排出される水流量を所定流量と設定してもよい。
【００３１】
これによって、蒸発器コア３６から離れた箇所の蒸発器３または燃焼器４の温度を検出し、その温度を水との熱交換後の蒸発器３温度とするので、水ポンプ停止後に蒸発器３の温度上昇を抑えることができ、熱応力による歪みを防止することができる。
【００３２】
次に、第１実施形態の蒸発器３の温度、蒸発器３の歪みを図４に示すタイムチャートを用いて説明する。なお、蒸発器３へ供給される水流量を（ａ）、燃焼器４で生成される高温ガスの流量を（ｂ）、蒸発器３（燃焼器４）の温度を（ｃ）、蒸発器３の歪みを（ｄ）で示す。
【００３３】
ｔ０において、燃料電池２の停止命令が発せられると、まず、三方弁１３、１７を切り換え、燃料タンク６から改質システム１へ燃料を供給するポンプ８と、空気を供給するコンプレッサ５、また、カソード２ａへ空気を供給するコンプレッサ１０、燃焼器４に空気を供給するコンプレッサ１４が停止するので、高温ガス流量が減少するにつれて、蒸発器３、または燃焼器４の温度が低下する。
【００３４】
ｔ１において、温度センサ１６もしくは温度センサ２０によって検出された燃焼器４、もしくは蒸発器３の温度が、所定温度Ｔｈよりも高いと判断されると（ステップＳ３４）、ポンプ９を所定の回転数で回転させる（ステップＳ３６）。これによって、蒸発器３へ供給される水流量が減少する。
【００３５】
ｔ２において、温度センサ１６もしくは温度センサ２０によって検出された燃焼器４、もしくは蒸発器３の温度が、所定温度Ｔｈよりも低いと判断されると（ステップＳ３４）、ポンプ９を停止する（ステップＳ３５）。ここで、本発明を使用しない場合、すなわち温度の検出箇所を蒸発器コア３６近傍にした場合の蒸発器３の温度変化と蒸発器３の歪みを図４（ｃ）、（ｄ）の点線で示す。本発明を使用しない場合は、蒸発器３への水供給を停止すると、蒸発器３、燃焼器４などが持つ熱量により、蒸発器３の温度が上昇し、歪みが大きくなる。一方、本発明では、蒸発器３と燃焼器４の全体が冷却されているので、蒸発器３と燃焼器４はポンプ９を停止しても温度が上昇することが無く、蒸発器３の歪みも大きくならず、蒸発器３の信頼性を確保できる。
【００３６】
また、水温調整系５０の水タンク７に加え、水サブタンク２１を備えた構成について図５のブロック図を用いて説明する。
【００３７】
水タンク７とポンプ９との間に、第１貯留手段である水サブタンク２１を備え、更に水サブタンク２１と水タンク７との間にポンプ２２を備える。水サブタンク２１は、燃料電池２停止時に蒸発器３を通った水蒸気が三方弁１７によってコンデンサ１９によって復水した水が貯水される。また、燃料電池２稼働時に蒸発器３を通り、気液分離器１８によって分離された水は、水タンク７へ貯水され、ポンプ２２によって水タンク７から水サブタンク２１へ水を供給（補充）することができる。
【００３８】
これによって、水サブタンク２１には、温度の高い水を貯水し、水サブタンク２１に貯水された水を蒸発器３へ供給し、蒸発器３の温度調整を行うので蒸発器３の温度変化（低下）速度を遅くすることができ、蒸発器３にかかる応力歪みの時間変化を小さくすることができる。また、温度の上昇した水を水サブタンク２１に貯水しているために、次回の起動時には、温度の高い水を蒸発器３へ供給できるので、蒸発器３において水を素早く改質に必要な水蒸気にすることができる。
【００３９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００４０】
一般に、高温流体（高温ガス）と低温流体（水）が共に流通している状況では、高温流体から低温流体に熱が伝えられる為、高温流体、及び、低温流体の温度は、高温流体と低温流体の熱伝達率の関係で決定される。このため、低温流体と高温流体が流れている近傍(低温流体と高温流体の流路を隔てる隔壁や、隔壁近傍)の温度は、これら低温流体及び高温流体の温度によって決定されるため、低温流体が流れていない場合では、検出される温度は異なったものとなる。
【００４１】
一方、熱交換器(蒸発器３)などは、それ自体熱容量を持つため、低温流体の流通を停止した以降は、熱交換器、及び熱交換器に接続された部位の持つ熱量によって、熱交換器の温度が変化する。但し、この熱量によって変化(一般には、上昇)する温度の上限は、熱交換器に導入されていた高温流体の温度となる。
【００４２】
また、低温流体停止後の熱交換器の温度は、熱交換器、及び熱交換器に接続された部位の内、高温流体が流通していた部位であり、近傍に低温流体通路が無い部位の金属部の温度によって代表させる。これは、高温流体停止後でかつ低温流体停止前において、低温流体近傍の金属部の温度は（低温流体の熱伝達率が高いため）低温流体の温度に近い温度になっているが、高温流体が流通していた部位であって、かつ近傍に低温流体がない部位の金属部の温度は、低温流体近傍の金属部の温度に対して、高温流体の温度と低温流体の温度の中間的な温度となり、低温流体停止後に再び温度が上昇した後の熱交換器の温度に近い温度となるからである。
【００４３】
これにより、燃料電池２を停止し、水タンク７から水を蒸発器３に供給（循環）し、改質システム１へ供給する水を蒸発させた蒸発器３の温度を下げる際に、高温ガスと水が熱交換を行う蒸発器コア３６から離れた箇所の温度を検出し、その温度が十分に低くなると水の供給を停止する。そのために、水の供給を停止した後に蒸発器３の温度が上昇することがなく、熱応力による蒸発器３の信頼性低下を防止することができる。
【００４４】
蒸発器３の下流に三方弁１７を設け、高温ガスの生成を停止した後に三方弁１７を切り換え、蒸発器３から排出される水蒸気（水）が改質システム１へ供給されないようにするので、温度の低い水蒸気（水）の流入による改質システム１の触媒の機能低下を防ぐことができる。
【００４５】
また、三方弁１７と改質システム１の間に気液分離器１８を設けることによって、三方弁１７から水が漏れた場合でも、気液分離器１８によって水が改質システム１へ流入するのを防ぐことができる。
【００４６】
三方弁１７によって水タンク７へ戻る（循環させる）流路の途中にコンデンサ１９を設け、水蒸気を液化して水タンク７へ戻すので、水タンク７内の温度を上昇させることがなく、水タンク７の劣化を防ぐことができる。
【００４７】
また、水サブタンク２１を設けた場合には、三方弁１７から戻る水を水サブタンク２１へ貯水し、その水を再び蒸発器３へ供給するので、比較的温度の高い水を蒸発器３へ供給し、蒸発器３の温度低下速度を遅くすることができるので、熱応力による歪みを小さくすることができる。また、次回の起動時には、温度の高い水を蒸発器３へ素早く供給できるので、蒸発器３において水を素早く蒸発、加熱し、改質システム１で改質ガスを素早く生成し、さらには燃料電池１を素早く起動することができる。
【００４８】
次に本発明の第２実形態について図６のブロック図を用いて説明する。第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。この実施形態では蒸発器３と三方弁１７の間に蒸発器３から排出された水蒸気の温度を検出する温度センサ２３を備える。その他の構成については、第１実施形態と同じである。これによって蒸発器３と燃焼器４の温度と蒸発器３下流での水蒸気の温度を比較し、蒸発器３の温度を正確に制御することができる。
【００４９】
次にコントローラ４０で行う燃料電池システムの停止制御について、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池２の運転中は、三方弁１７は蒸発器３からの水蒸気が全て気液分離器１８へ供給される、すなわち改質システム１に供給されるように制御されている。また、三方弁１３は、アノード２ｂから排出された排出水素がコンデンサ１２、すなわち燃焼器４へ供給され、外部へ排出されないように制御されている。
【００５０】
ステップＳ７０からステップＳ７３までの制御については、第１実施形態のステップＳ３０からステップＳ３３までの制御と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００５１】
ステップＳ７４では、蒸発器３で蒸発、加熱された水の温度Ｔｒを、蒸発器３下流に設けた温度センサ２３によって検出する。
【００５２】
ステップＳ７５では、ステップＳ７３で検出した蒸発器３、または燃焼器４の温度ＴｖとステップＳ７４で検出した蒸発器３下流での水蒸気の温度Ｔｒを比較する。そして、ＴｖとＴｒが同じ温度の場合は、蒸発器３の蒸発器コア３６近傍ではない蒸発器３の温度Ｔｖが蒸発器３下流の水、または水蒸気の温度Ｔｒと同じなので、蒸発器３が十分に冷却されたと判断し、ステップＳ７６へ進む。ＴｖがＴｒよりも高い場合は蒸発器３が十分に冷却されていないと判断し、ステップＳ７７へ進む。ここで、ＴｖとＴｒが同じ温度となるとステップＳ７６へ進むが、ＴｖとＴｒの温度差が或る所定範囲内であれば、蒸発器３が十分に冷却されたと判断し、ステップＳ７６へ進むようにしてもよい。このときの所定範囲は、予め実験などにより求め、設定する。
【００５３】
ステップＳ７６、Ｓ７７は第１実施形態のステップＳ３５、Ｓ３６と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００５４】
以上の制御によって、蒸発器３下流の温度Ｔｖを検出し、その温度と蒸発器３と燃焼器４の温度Ｔｒを比較するので、蒸発器３の冷却状態を正確に検出することができる。
【００５５】
第２実施形態における蒸発器３の温度、蒸発器３の歪みを示すタイムチャートについては、第１実施形態と同じなので、説明は省略する。ただし、（ｃ）のＴｈをＴｖとする。
【００５６】
また、第１実施形態と同様に、水タンク７に加え、水サブタンク２１を備えてもよい。
【００５７】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００５８】
蒸発器３を通った水の温度を温度センサ２３によって検出し、その温度と蒸発器３、または燃焼器４の温度と比較するので、蒸発器３の温度と、水の温度差が実際に小さく、すなわち蒸発器３が十分に冷却されると水の供給を停止するので、水供給停止後に蒸発器３の温度が上昇し、熱応力による蒸発器３の信頼性低下をより防ぐことができる。
【００５９】
次に本発明の第３実形態について図８のブロック図を用いて説明する。第３実施形態については図６と異なる部分を説明する。この実施形態ではポンプ９と蒸発器３の間に、ポンプ９によって水タンク７から蒸発器３へ供給される水の温度を検出する上流温度検出手段である温度センサ２４と、その流量を検出する流量検出手段である流量計２５を備える。その他の構成については、第２実施形態と同じである。この構成とすることで、燃焼器４で生成された高温ガスによって、蒸発器３で水が受けた熱量を算出し、その熱量によって蒸発器３への水供給（循環）を停止する。
【００６０】
次にコントローラ４０で行う燃料電池システムの停止制御について、図９のフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池２の運転中では、三方弁１７は、蒸発器３からの水蒸気が全て気液分離器１８へ供給される、すなわち改質システム１に供給されるように制御されている。また、三方弁１３は、アノード２ｂから排出された排出水素がコンデンサ１２、すなわち燃焼器４へ供給され、外部へ排出されないように制御されている。
【００６１】
ステップＳ９００では、燃料電池２に停止命令が発せられたかどうかを判断する。そして、停止命令が発せられたときは、ステップＳ９０１へ進み、停止命令が発せられていないときは、ステップＳ９０９へ進む。
【００６２】
ステップＳ９０１とステップＳ９０２は第１実施形態のステップＳ３１とステップＳ３２と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００６３】
ステップＳ９０３では、温度センサ２３によって蒸発器３の下流側の水、または水蒸気の温度Ｔ２と、温度センサ２５によって上流側の水の温度Ｔ１をそれぞれ検出し、下流と上流の温度差を算出する。
【００６４】
ステップＳ９０４では、ポンプ９によって水タンク７から蒸発器３へ供給される水の流量Ｖ１を流量計２５によって検出する。
【００６５】
ステップＳ９０５では、ステップＳ９０３で検出した温度差（Ｔ２−Ｔ１）と、水の比熱Ｃと、ステップＳ９０４で検出した流量Ｖ１との積によって得られる熱量を、高温ガスの供給を停止、すなわち三方弁１７を切り換えてからの時間を図示しない時間検出手段であるタイマなど検出し、積分することで、停止信号を検出してから水に与えられた熱量Ｑｒを算出（積分）する（受熱量検出手段を構成する）。
【００６６】
ステップＳ９０６では、後述する（ステップＳ９１０）主に蒸発器３と燃焼器４の保有する熱量ＱｖとステップＳ９０５で算出した熱量Ｑｒの差を算出し、所定熱量Ｑ１と比較する。そして、ＱｖとＱｒの差がＱ１の場合は、ステップＳ９０７へ進む。また、ＱｖとＱｒの差がＱ１ではない（Ｑ１よりも大きい）場合は、ステップＳ９０８へ進む。ここで、Ｑ１は予め実験などによって求められた値であり、ＱｖとＱｒの差が或る所定熱量、すなわち蒸発器３が所定温度まで冷却され、水の循環を停止しても蒸発器３の温度が上昇しない熱量である。ここで、ＱｖとＱｒの差がＱ１と等しい場合にステップＳ９０７へ進むように制御したが、熱量差が或る所定範囲内であれば、ステップＳ９０７へ進むようにしてもよい。このときの所定範囲は、予め設定する。
【００６７】
ステップＳ９０７では、蒸発器３と燃焼器４の全体が十分に冷却されているので、ポンプ９を停止し、水タンク７から蒸発器３への水供給（循環）を停止する（ステップＳ９０２からステップＳ９０７が低温流体供給制御手段を構成する）。
【００６８】
なお、高温流体の供給を停止する以前の蒸発器３、または燃焼器４の温度で蒸発器３などの保有する熱量を代表でき、また、水が蒸発器３から持ち出す熱量は、水または水蒸気の出口温度Ｔ２、または入口温度Ｔ１と出口温度Ｔ２と水の流量との間に相関があるので、これらの温度と流量の関係により、水を停止する時期を決めるマップをあらかじめ実験などにより求めておき、このマップにより水の供給を停止するようにしてもよい。
【００６９】
ステップＳ９０８では、蒸発器３と燃焼器４の全体が十分に冷却されていないので、ポンプ９の回転数を或る所定回転数に設定し、水タンク７から水を蒸発器３へ循環させ、蒸発器３の温度を減少させる。その後、ステップＳ９０３へ戻り、蒸発器３の温度が下がるまで、上記ステップを繰り返す。ここで或る所定回転数は、予め実験などにより求める。また、回転数を制御する代わりにポンプ７から排出される水流量を流量計２５によって検出し、或る所定流量と設定してもよい。
【００７０】
ステップＳ９００において停止信号が検出されない場合には、通常運転を行うが、第３実施形態では、蒸発器３などの保有する熱量を算出する。まず、ステップＳ９０９へ進み、蒸発器３、または燃焼器４の温度を温度センサ１６、２０によって検出する。
【００７１】
ステップＳ９１０では、蒸発器３などの保有する熱量Ｑｖを算出する。その算出方法は、蒸発器３の比熱と重量、及びステップＳ９０９で検出した蒸発器３、または燃焼器４の温度の積算値として、蒸発器系の保有する熱量Ｑｖを算出する（ステップＳ９０９、Ｓ９１０が熱保有量検出手段を構成する）。ステップＳ９０６では、ステップＳ９１０で算出された熱量Ｑｖを用いて、蒸発器３で水に与えた熱量Ｑｒと比較する。その後通常運転を行う。
【００７２】
以上の制御によって、蒸発器３などの保有する熱量と、蒸発器３によって水に与えられる熱量の差を算出し、所定熱量と比較することで、蒸発器３の温度を正確に制御でき、水ポンプ９を停止した後に蒸発器３の温度が上昇し、熱応力による蒸発器３の信頼性低下を防ぐことができる。
【００７３】
第３実施形態における蒸発器３の温度、蒸発器３の歪みを示すタイムチャートについては、第１実施形態と同じなので、説明は省略する。ただし、（ｃ）の蒸発器温度をＱｖとＱｒの温度差とし、ＴｈをＱ１とする。
【００７４】
また、第１実施形態と同様に、水タンク７に加え、水サブタンク２１を備えてもよい。ただし、燃料電池２の停止制御を行うときには、ポンプ２２を停止させ、ポンプ９だけを駆動させる。
【００７５】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００７６】
蒸発器３の上下流の温度を検出し、蒸発器３で水が与えられた熱量Ｑｒを算出し、また、蒸発器３などが保有していた熱量Ｑｖを算出し、ＱｖとＱｒの差が或る所定熱量となる、すなわち蒸発器３などが保有していた熱量Ｑｖから水へ十分に熱の授受が行われると蒸発器３への水供給を停止するので、水供給停止後に蒸発器３の温度が上昇し、熱応力による蒸発器３の信頼性低下をより防ぐことができる。
【００７７】
次に本発明の第４実施形態について説明する。この実施形態の構成については図６に示す第２実施形態の構成と同じなので、ここでの説明は省略する。
【００７８】
第４実施形態についてはコントローラ４０の行う燃料電池２の停止制御が異なるので、ここではコントローラ４０の行う停止制御について、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池２の停止制御については、第３実施形態の停止制御を基に説明する。
【００７９】
ステップＳ１０００からステップＳ１００２までは第３実施形態のステップＳ９００からステップＳ９０２までと同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００８０】
ステップＳ１００３では、温度センサ２３によって、蒸発器３の下流側の水、または水蒸気の温度Ｔ２を検出する。
【００８１】
ステップＳ１００４では、ポンプ９によって水タンク７から蒸発器３へ供給される水の流量Ｖ１を流量計２５によって検出する。
【００８２】
ステップＳ１００５では、ステップＳ１００３で検出した温度Ｔ２と、水の比熱Ｃと、ステップＳ１００４で検出した流量Ｖ１の積に補正係数をかけることによって得られる熱量を、高温ガスの供給を停止、すなわち三方弁１７を切り換えてからの時間を図示しないタイマなどによって検出し、積分することで、高温ガスの供給を停止してから水に与えられた熱量Ｑｒを算出（積分）する。ここで、補正係数は水ポンプの駆動時間に応じて設定される係数であり、予め実験などによって求められたマップから読み取る。この補正係数を使用することにより、蒸発器３の入口温度Ｔ１を検出しなくても、蒸発器３で水に与えられる熱量を算出することが可能となる。
【００８３】
ステップＳ１００６以降については第３実施形態のステップＳ９０６と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００８４】
以上の制御によって、蒸発器３などの保有する熱量と、蒸発器３によって水に与えられる熱量の差を算出し、所定熱量と比較することで、蒸発器３の温度を正確に制御でき、水ポンプ９を停止した後に蒸発器３の温度が上昇し、熱応力による蒸発器３の信頼性低下を防ぐことができる。
【００８５】
第４実施形態における蒸発器３の温度、蒸発器３の歪みを示すタイムチャートについては、第１実施形態と同じなので、説明は省略する。ただし、（ｃ）の蒸発器温度をＱｖとＱｒの温度差とし、ＴｈをＱ１とする。
【００８６】
また、第１実施形態と同様に、水タンク７に加え、水サブタンク２１を備えてもよい。ただし、燃料電池２の停止制御を行うときには、ポンプ２２を停止させ、ポンプ９だけを駆動させる。
【００８７】
本発明の第４実施形態の効果について説明する。
【００８８】
蒸発器３の上下流の温度を検出し、蒸発器３で水が与えられた熱量Ｑｒを算出し、また、蒸発器３などが保有していた熱量Ｑｖを算出し、ＱｖとＱｒの差が或る所定熱量となる、すなわち蒸発器３などが保有していた熱量Ｑｖから水へ十分に熱の授受が行われると蒸発器３への水供給を停止するので、水供給停止後に蒸発器３の温度が上昇し、熱応力による蒸発器３の信頼性低下をより防ぐことができる。さらに、蒸発器３の上流の温度を検出する必要がないので、システム小型にすることができる。
【００８９】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
低温流体を加熱し、使用する分野に利用することができ、特に、燃料改質型の燃料電池自動車に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態で用いる蒸発器と燃焼器の詳細図である。
【図３】本発明の第１実施形態でコントローラが行う停止制御のフローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態でコントローラが行う停止制御のタイムチャートであり、（ａ）は水流量の変化を示すタイムチャートである。（ｂ）は高温ガス流量の変化を示すタイムチャートである。（ｃ）は蒸発器の温度変化を示すタイムチャートである。（ｄ）は蒸発器の歪み量を示すタイムチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態に水サブタンクを追加した場合の水温度調整系のブロック図である。
【図６】本発明の第２実施形態、及び第４実施形態の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２実施形態でコントローラが行う停止制御のフローチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３実施形態でコントローラが行う停止制御のフローチャートである。
【図１０】本発明の第４実施形態でコントローラが行う停止制御のフローチャートである。
【図１１】本発明を用いない場合の運転停止シーケンスであり、（ａ）は供給原料の変化を示すシーケンスである。（ｂ）は高温ガス流量の変化を示すシーケンスである。（ｃ）は蒸発器の温度変化を示すシーケンスである。
【図１２】本発明を用いない場合のタイムチャートであり、（ａ）は水流量の変化を示すタイムチャートである。（ｂ）は高温ガス流量の変化を示すタイムチャートである。（ｃ）は蒸発器の温度変化を示すタイムチャートである。（ｄ）は蒸発器の歪み量を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００９２】
１      改質システム（消費手段）
２      燃料電池
３      蒸発器（熱交換器）
４      燃焼器（高温流体供給手段）
７      水タンク（第２貯留手段）
９      ポンプ（低温流体供給手段）
１６    温度センサ（温度検出手段）
１７    三方弁（流路切換手段）
１８    気液分離器
１９    コンデンサ（復液器）
２０    温度センサ（温度検出手段）
２１    水サブタンク（第１貯留手段）
２３    温度センサ（下流温度検出手段）
２４    温度センサ（上流温度検出手段）
２５    流量計（流量検出手段）
３６    蒸発器コア（熱交換部）
４０    コントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005147553.tif 000009
【図８】
2005147553.tif 000010
【図９】
2005147553.tif 000011
【図１０】
2005147553.tif 000012
【図１１】
2005147553.tif 000013
【図１２】
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